DNA复制生物化学

第三篇基因信息的传递BiochemistryDepartmentDepartmentofBasicMedicalSciencesHangzhouNormalUniversityGuyisheng（flowofgeneinformation)2020/5/2DepartmentofBiochemistry,HangzhouMedicalCollege【2】•基因（gene）：为生物活性产物（蛋白质或各种RNA）编码的DNA功能片段。•基因表达（geneexpression）：基因转录与翻译的过程。中心法则：复制DNA转录RNA翻译蛋白质逆转录图示基因的信息传递第十章《生物化学》BiochemistryDNA的生物合成（复制）（DNABiosynthesis，Replication)2020/5/2DepartmentofBiochemistry,HangzhouMedicalCollege【4】第一节复制的基本规律(BasicRulesofDNAReplication)复制的方式——半保留复制(semi-conservativereplication)复制的高保真性(highfidelity)双向复制(bidirectionalreplication)半不连续复制(semi-discontinuousreplication)2020/5/2DepartmentofBiochemistry,HangzhouMedicalCollege【5】一、半保留复制(semiconservativereplication)（一）概念（二）实验依据：密度梯度实验（三）生物学意义：1.保证遗传信息传递的忠实性2.遗传和变异的统一2020/5/2DepartmentofBiochemistry,HangzhouMedicalCollege【6】DNA的生物合成（复制）遗传信息从亲代DNA传递到子代DNA分子上，称为复制。2020/5/2DepartmentofBiochemistry,HangzhouMedicalCollege【7】2020/5/2DepartmentofBiochemistry,HangzhouMedicalCollege【8】DNA复制的最主要特征半保留复制：DNA生物合成时，母链DNA解开为两股单链，各自作为模板(template)按碱基配对规律，合成与模板互补的子链。子代细胞的DNA，一股单链从亲代完整地接受过来，另一股单链则完全从新合成。两个子细胞的DNA都和亲代DNA碱基序列一致。这种复制方式称为半保留复制。半保留复制AGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACCCCACTGGGGTGACCAGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACCAGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACC+母链DNA复制过程中形成的复制叉子代DNA2020/5/2DepartmentofBiochemistry,HangzhouMedicalCollege【10】半保留复制的意义DNA的半保留复制保证了DNA在代谢上的稳定性，经过许多代的复制，DNA多核苷酸链仍可保持完整，存在于后代而不被分解，这种稳定性体现了DNA遗传过程的相对保守性。遗传的保守性是相对的，而不是绝对的。自然界还存在着普遍的变异现象。2020/5/2DepartmentofBiochemistry,HangzhouMedicalCollege【11】二、双向复制(bidirectionalreplication)原核生物复制时，DNA从起始点(origin)向两个方向解链，形成两个延伸方向相反的复制叉，称为双向复制。复制中的放射自显影图象原核生物DNA的双向复制oriterABCA.环状双链DNA及复制起始点B.复制中的两个复制叉C.复制接近终止点(termination,ter)2020/5/2DepartmentofBiochemistry,HangzhouMedicalCollege【13】真核生物DNA的双向复制真核生物每个染色体有多个起始点，是多复制子的复制。习惯上把两个相邻起始点之间的距离定为一个复制子(replicon)。复制子是独立完成复制的功能单位。5’3’oriorioriori5’3’真核生物的多复制子形式5’3’oriorioriori5’3’5’5’3’3’5’5’3’复制子3’2020/5/2DepartmentofBiochemistry,HangzhouMedicalCollege【15】三、半不连续复制(semi-discontinuousreplication)顺着解链方向生成的子链，复制是连续进行的，这股链称为领头链。另一股链因为复制的方向与解链方向相反，不能顺着解链方向连续延长，这股不连续复制的链称为随从链。复制中的不连续片段称为岡崎片段(okazakifragment)。领头链连续复制而随从链不连续复制，就是复制的半不连续性。半不连续复制图解3535解链方向领头链(leadingstrand)随从链(laggingstrand)图示2020/5/2DepartmentofBiochemistry,HangzhouMedicalCollege【17】四、需要RNA引物(primer)DNA聚合酶不能直接聚合游离的dNTP，必须由一段核酸片段提供3’OH末端。由引物酶催化，由NTP为原料，合成RNA引物。2020/5/2DepartmentofBiochemistry,HangzhouMedicalCollege【18】第二节DNA复制的酶学（TheEnzymologyofDNAReplication）复制是在酶催化下的核苷酸聚合过程，需要多种物质参与：底物：dNTP：dATP、dGTP、dCTP、dTTP聚合酶：依赖DNA的DNA聚合酶模板：解开成单链的DNA母链引物：RNA，提供3’-OH末端，使dNTP可以依次聚合其他酶和蛋白因子：解螺旋酶、拓朴异构酶、引物酶、DNA连接酶、单链结合蛋白等一、复制的化学反应（形成磷酸二酯键）新链的延长只可沿5→3方向进行(dNMP)n+dNTP→(dNMP)n+1+PPi2020/5/2DepartmentofBiochemistry,HangzhouMedicalCollege【20】全称：依赖DNA的DNA聚合酶（DNA-dependentDNApolymerase）（DNA-pol，DDDP）催化活性：•53的聚合活性•核酸外切酶活性二、DNA聚合酶2020/5/2DepartmentofBiochemistry,HangzhouMedicalCollege【21】•聚合酶I：对复制中的错误进行校读，对复制和修复中出现的空隙进行填补。•聚合酶II：在无聚合酶I、III时起作用，功能未完全搞清楚。参与DNA损伤的应急状态修复。•聚合酶III*：复制延长时真正催化新链核苷酸聚合的酶。（一）原核生物的DNA聚合酶比较酶图2020/5/2DepartmentofBiochemistry,HangzhouMedicalCollege【22】•聚合酶α*：在复制过程中起重要作用。具有引物酶活性。•聚合酶β：参与低保真度复制（相当于原核生物DNA-polII）。•聚合酶γ：存在于线粒体，参与线粒体DNA复制。•聚合酶δ*：在复制中起主要作用，延长子链（相当于原核生物的DNA-polIII）。有解螺旋酶活性。•聚合酶ε：在复制中起校读、修复和填补缺口的作用（相当于原核生物DNA-polI）。（二）真核生物的DNA聚合酶比较2020/5/2DepartmentofBiochemistry,HangzhouMedicalCollege【23】•DNA聚合酶除了有催化5’→3’核苷酸聚合的作用外，还有核酸外切酶活性。•外切酶有方向性：从5’-端或3’-端把核苷酸从核酸链上水解下来。•DNA聚合酶I有两种方向的外切酶活性。•DNA聚合酶I活性较强，在复制过程中能辨认错配的碱基并加以切除。•DNA聚合酶III只有3’→5’外切酶活性。（三）核酸外切酶活性图示2020/5/2DepartmentofBiochemistry,HangzhouMedicalCollege【24】DNA复制的保真性主要依赖三种机制：1、遵守严格的碱基配对规律A＝T、C≡G2、聚合酶在复制延长中对碱基的选择功能3、复制出错时有即时的校读功能聚合酶III有3’→5’核酸外切酶活性三、DNA复制的保真性外切酶教读碱基2020/5/2DepartmentofBiochemistry,HangzhouMedicalCollege【25】四、复制中的解链及DNA分子拓扑学变化与DNA解旋和解链有关的酶和蛋白质：•解螺旋酶（helicase）等•DNA拓扑异构酶（DNAtopoisomerase）•单链DNA结合蛋白（singlestrandedDNAbindingprotein，SSB）•引物酶（primase）2020/5/2DepartmentofBiochemistry,HangzhouMedicalCollege【26】•解螺旋酶的作用是利用ATP供能来解开DNA双链。•DnaB蛋白--解螺旋酶•DnaA蛋白--识别复制起始点•DnaC蛋白--辅助解螺旋酶，使其（DnaB）在起始点上结合并打开双链（一）DNA的解链图示2020/5/2DepartmentofBiochemistry,HangzhouMedicalCollege【27】•DNA双螺旋链在复制过程中旋转速度很快，易造成DNA分子打结、缠绕、连环现象。复制末期，母链DNA与新合成链也会相互缠绕，形成打结或连环。•拓扑异构酶分为I型和II型两种。•拓扑异构酶对DNA的作用是既能水解，又能连接磷酸二酯键。使复制中的DNA能解结，达到适度盘绕。（二）DNA拓扑异构酶图示2020/5/2DepartmentofBiochemistry,HangzhouMedicalCollege【28】作用机制：拓扑异构酶Ⅰ•切断DNA双链中一股链，使DNA解链旋转不致打结；适当时候封闭切口，DNA变为松弛状态。•反应不需ATP。拓扑异构酶Ⅱ•切断DNA分子两股链，断端通过切口旋转使超螺旋松弛。•利用ATP供能，连接断端，DNA分子进入负超螺旋状态。2020/5/2DepartmentofBiochemistry,HangzhouMedicalCollege【29】•SSB的作用是在复制中维持模板处于单链状态并保护单链的完整（免受核酸酶降解）。•SSB与DNA的结合具有协同效应（三）单链DNA结合蛋白（SSB）2020/5/2DepartmentofBiochemistry,HangzhouMedicalCollege【30】•DNA聚合酶没有催化两个游离dNTP聚合的能力。因此，复制是在RNA引物的基础上加进脱氧核苷酸的。•催化引物合成的是一种RNA聚合酶，它不同于转录过程的RNA聚合酶，所以称为引物酶（DnaG蛋白）。•复制起始时，DnaA、DnaB、DnaC蛋白，还有其他复制因子，一起形成复合体，结合引物酶，形成较大的聚合体，再结合到模板DNA上，这种复合物称为引发体。（四）引物酶和引发体2020/5/2DepartmentofBiochemistry,HangzhouMedicalCollege【31】•DNA连接酶连接DNA链3’-OH末端和相邻DNA链的5’-P末端，使二者生成磷酸二酯键，从而把两段相邻的DNA链连成完整的链。•复制中模板链是连续的，新链分段合成，是不连续的，最后留有缺口，要靠连接酶接合。连接酶的催化作用需要消耗ATP。五、DNA连接酶图示2020/5/2DepartmentofBiochemistry,HangzhouMedicalCollege【32】连接酶的功能•DNA连接酶在复制中起最后接合缺口的作用。•在DNA修复、重组及剪接中也起缝合缺口作用。•也是基因